Algo está escondido no espaço vazio e, pela primeira vez, os físicos podem capturá-lo deixando uma impressão digital.
A teoria quântica previu há muito tempo que o vácuo está repleto de partículas virtuais, que aparecem e desaparecem brevemente para serem observadas diretamente. Mas um novo teste Laboratório Nacional de Brookhaven sugerindo que esses pares transitórios não são completamente invisíveis. Nas condições certas, eles podem realmente ser abalados e, quando o são, carregam a memória do que foi antes, escrito na linguagem da rotação.
Resultados de uma colaboração entre Brookhaven e Universidade Stony Brook Usando detectores de estrelas no Colisor Relativístico de Íons Pesados, oferece a primeira evidência experimental direta de que pares quark-antiquark virtuais no vácuo quântico deixam uma marca mensurável em partículas reais resultantes de colisões de prótons de alta energia.
Do que realmente é feito um vácuo?
A maioria das pessoas aprendeu que o espaço está vazio. Isto parece ser uma simplificação útil, não uma descrição da realidade.
A cromodinâmica quântica, a teoria que governa os quarks e a força forte que os une, prevê que o vácuo tem estrutura. Ele contém uma concentração de pares virtuais quark-antiquark, pares que existem momentaneamente em uma espécie de suspensão quântica. Devido às restrições impostas pelo número quântico do vácuo, espera-se que os spins desses pares estejam alinhados paralelamente, uma configuração chamada estado spin-tripleto.
Essa previsão é difícil de testar porque as partículas virtuais não podem ser medidas. Eles desaparecem antes que qualquer detector os registre.
O principal insight por trás deste experimento foi que colisões de prótons de alta energia poderiam mudar isso. Os prótons podem ser esmagados o suficiente, e a energia da colisão pode atingir o vácuo e libertar esses pares virtuais, transformando-os em partículas reais e detectáveis. Se o alinhamento do spin sobreviver a essa transição violenta, ele aparecerá nas partículas deixadas para trás.
Perseguindo o giro através de uma mudança violenta
A equipe acelerou prótons a 99,996% da velocidade da luz e registrou quase 600 milhões de colisões. Seu foco estava em quarks estranhos e antiquarks estranhos, um par específico que se esperava surgir de condensados de vácuo alinhados por spin.
Uma vez livres, os quarks não podem permanecer livres por muito tempo. A força forte os puxa rapidamente para partículas compostas em um processo chamado hadronização. Neste caso, alguns quarks e antiquarks estranhos tornam-se hiperons lambda e hiperons anti-lambda, partículas neutras de vida curta que decaem em cerca de dez bilionésimos de segundo.
Essa decadência é o que torna a medição possível. Os hiperons lambda se desintegram em partículas filhas cujas trajetórias codificam a orientação de spin do pai. Ao rastrear esses produtos de decaimento até o detector STAR, os pesquisadores podem reconstruir o spin de cada hiperon e perguntar se um lambda e um anti-lambda, aparecendo juntos, mostram spins correlacionados.
A resposta, para pares próximos, era claramente sim.
Um sinal que se destaca
O par lambda e anti-lambda de curto alcance apresentou uma correlação de spin positiva de 0,388 com significância estatística de 4,4 desvios padrão acima de zero. Esse resultado resistiu a várias verificações.
Os pares lambda-lambda e anti-lambda-anti-lambda, em contraste, não apresentaram correlação de spin. Os pares não foram separados por distâncias maiores em ângulo ou velocidade. Medições envolvendo pares Kaon e simulações utilizando o modelo PYTHIA 8.3 Monte Carlo, ambos utilizados como referência de linha de base, também não mostraram correlação.
O padrão correspondia ao que a imagem condensada a vácuo previa. Pares próximos de hiperons lambda e anti-lambda se comportaram como se seus quarks estranhos tivessem começado como um par correlacionado no vácuo, com seu alinhamento de spin original praticamente intacto após a hadronização. Um modelo concorrente, conhecido como modelo Burkardt-Jaffe, previu uma polarização mais fraca e foi refutado pelos dados.
“Agora entende-se que o vácuo tem uma estrutura rica e complexa, caracterizada por flutuações no campo de energia e concentrações de pares virtuais de quark-antiquark”, diz o físico Zhoudunming Tu. “Colisões próton-próton de alta energia podem liberar pares virtuais de quark-antiquark do vácuo que subsequentemente produzem hádrons.”
Por que o giro desaparece com a distância
Um dos detalhes mais reveladores dos dados é o que acontece quando os dois hiperons se afastam. A correlação de spin foi mais forte quando lambda e anti-lambda estavam próximos tanto em ângulo quanto em velocidade. À medida que a separação aumenta, a correlação enfraquece e eventualmente torna-se indistinguível de zero.
Os pesquisadores interpretam isso como um sinal de decoerência quântica, a perda gradual de informação quântica à medida que as partículas interagem com o ambiente durante a hadronização. O emaranhado de múltiplos pares iniciais de quarks no processo também pode desempenhar um papel. De qualquer forma, o sinal de spin diminui à medida que as duas partículas têm que interagir com o resto do evento pós-colisão antes de serem detectadas.
Esse fade é informativo por si só. Isto fornece uma nova maneira de estudar como a coerência quântica é perdida durante a transição caótica de quarks livres para hádrons ligados, um processo que os cálculos de primeiros princípios têm lutado para descrever.
Implicações práticas da pesquisa
O valor de curto prazo mais claro é uma nova ferramenta experimental para sondar o confinamento de quarks, um dos problemas mais teimosamente não resolvidos da física. Compreender por que razão os quarks não podem viver sozinhos e como a sua ligação constitui a maior parte da massa da matéria comum tem resistido a uma descrição teórica completa durante décadas. Medir a correlação de spin através do processo de hadronização oferece aos pesquisadores uma nova maneira de rastrear o que acontece durante essa transição, e não apenas depois.
A descoberta também tem implicações para a chamada crise do spin do próton. As experiências mostram que os quarks dentro de um protão representam cerca de 35% do seu spin total, muito menos do que os modelos mais antigos esperavam. Os novos resultados, que apoiam um modelo no qual o quark estranho transporta essencialmente todo o spin do hiperão lambda, sugerem que diferentes hádrons podem organizar a sua contribuição de spin de forma diferente. Esta distinção será importante para experimentos futuros que visam compreender como o spin é distribuído dentro de partículas compostas.
No longo prazo, o método abre caminho para o estudo da restauração da simetria quiral, uma transição de fase que se espera que ocorra em plasmas de quark-glúon produzidos em colisões de íons pesados. A observação das correlações de spin nesse ambiente poderia fornecer evidências diretas de se o condensado do vácuo desaparece em altas temperaturas, uma questão que as medições experimentais ainda não resolveram.
Os resultados do estudo estão disponíveis online na revista a natureza.
